JPH09159463A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 オフセット成分の影響を受けることなくセン
サの感度向上を図る。 【解決手段】 この発明は、ｘ軸方向の振動子幅ｗｘと
ｚ軸方向の振動子幅ｗｚとを近似させて共振周波数ｆｘ
と共振周波数ｆｚとの同調化を図る従来の角速度センサ
と、その着想自体が異なる。つまり、従来は、両共振周
波数の同調化を通してｚ軸方向の検出振動を励起し易く
し、その上でｘ軸振動の漏れによるオフセット成分の影
響を排除することがなされていた。しかし、本発明の角
速度センサ１０では、そもそも第１振動子２１，第２振
動子２２の振動子幅ｗｘと振動子幅ｗｚとを異なる幅と
して両共振周波数の同調化を止め、非同調とする。そし
て、このようにすることで、振動子のｘ軸方向の振動を
ｚ軸方向に実質的に漏れなくし、ｚ軸方向の検出振動成
分が僅かであっても、当該検出振動成分を、電極面積が
拡張された第１電極２４，２６で感度よく検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水晶基板から形成
され、振動子を基部から突出して備える角速度センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の角速度センサでは、角速
度算出に当たり、そのセンサ素子を構成する振動子をｘ
ｚ平面におけるｘ軸に沿って定常の振動状態に置く。そ
して、この振動状態にある振動子にｘｚ平面と直交する
ｙ軸回りに回転角速度が加わると、当該振動子には定常
の振動方向と交差してｚ軸方向にコリオリの力が作用
し、コリオリの力に起因して新たに励起したｚ軸方向の
振動（検出振動）がｘ軸方向の定常の振動に加わる。こ
のため、振動子は全体として楕円運動を起こすので、こ
の楕円運動におけるｚ軸方向の振動成分（検出振動成
分）を電気信号（交流電圧）として取り出すことが行な
われている。この場合、上記の楕円運動はその運動の周
期がｘ軸方向の定常振動に依存することから、ｚ軸方向
の検出振動成分は、ｘ軸方向の振動と位相の相関がある
振動成分となり、その位相はｘ軸方向の定常振動に依存
して定まる。そして、この検出振動成分を取り出した電
気信号の周波数も、その位相はｘ軸方向の定常振動に依
存して定まり、コリオリの力に起因して新たに励起した
ｚ軸方向の振動の周波数となる。

【０００３】ところで、ｙ軸回りの回転角速度に基づく
コリオリの力は、ｘ軸方向の振動の振幅（つまり、周波
数が同一である場合、振幅が大きいほうが速度が大き
く、また、コリオリの力は速度に比例する）に比例した
大きさを示し、ｚ軸方向の振動を引き起こす。よって、
コリオリの力、延いてはこの力を振動子に作用させる回
転角速度の検出感度を高めるには、ｘ軸方向の振幅を大
きくし、振動子のｘ軸方向の振動の共振周波数とｚ軸方
向の共振周波数をできるだけ近似させて両共振周波数の
同調化を図ることが望ましい。従って、従来は、ｘ軸，
ｚ軸の共振周波数を近似させるために、往々にして振動
子のｘｚ平面における断面形状を正方形にすることが行
なわれていた。

【０００４】このように正方断面化等によりｘ軸，ｚ軸
の共振周波数の同調化を図ると、このｘ軸，ｚ軸の振動
モードも近似する。よって、振動子をｘ軸方向に定常の
振動状態に置くと、この振動がｚ軸方向に漏れて、振動
子には、当初置かれたｘ軸方向の定常振動にこの漏れに
起因する漏れ振動が加わる。このため、ｙ軸回りに回転
角速度が加わっていないにも拘らず、この漏れ振動のｚ
軸方向に沿った振動成分（オフセット成分）が検出され
てしまい、このオフセット成分がｙ軸回りに回転角速度
が加わったときのｚ軸方向の検出振動に重畳する。つま
り、共振振動数の同調化を図れば振動子にｙ軸回りの回
転角速度が加わったことによるｚ軸方向の検出振動も励
起し易くなるが、検出振動の検出に悪影響を及ぼすオフ
セット成分も無視できなくなる。従って、センサの感度
向上には、オフセット成分の低減が有効であるため、種
々の技術が提案されている。

【０００５】例えば、特開昭６０−４９２１６には、振
動子の振動状態を検出するために対向して配置された二
つの圧電素子（検出用圧電素子）から得られる信号のう
ち、一方の圧電素子からの信号の位相反転をする技術が
提案されている。この技術によれば、当該信号に含まれ
るコリオリの力に起因したｚ軸方向の検出振動成分につ
いては、対向する二つの検出用圧電素子に逆位相で現わ
れるので、位相反転により同位相とする。その一方、オ
フセット成分については、当該成分は対向する二つの検
出用圧電素子にｘ軸方向の振動とは位相の相関がない信
号として現われるので、位相反転により逆位相とし、両
信号の加算合成時にオフセット成分を低減させることが
行なわれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た公報で提案された角速度センサにあっても、以下にそ
の理由と共に記すようにセンサの検出感度が低下すると
いう問題が起きた。

【０００７】振動子にｙ軸回りに回転角速度が加わって
いない状態において現われる上記の漏れ振動は、振動子
におけるｘ軸方向の振動と位相の関係がないと思われて
いたが、実際にはこのｘ軸方向の振動の所定関係にある
ことが実験的に確認されるに至った。この様子を図をも
って説明すると、図７に示すように、振動子１００をｘ
軸方向に沿った定常の振動状態に置くと、振動子１００
の振動は、ｚ軸方向への漏れ振動がｘ軸方向の定常振動
に加わることで次第に変遷し、やがて振動子１００は、
定常の振動とされた際の振動方向（ｘ軸方向）から所定
角度θだけずれた軸（以下、この軸を振動変遷軸ｘ０と
いう）を長軸とする偏平の楕円運動を起こす（図７
（ｂ））。この場合、振動変遷軸ｘ０は、漏れ振動の漏
れの方向によって定まる。

【０００８】また、この楕円運動はその運動の周期がｘ
軸方向の定常振動に依存することから、この楕円運動に
ついて検出方向たるｚ軸方向で得られる振動成分、即ち
オフセット成分は、上記した検出振動成分と同様に、ｘ
軸方向の振動と位相の相関がある振動成分として、二つ
の検出用圧電素子１０２，１０４には、コリオリの力に
起因したｚ軸方向の検出振動成分と同様に逆位相で現わ
れる。このため、位相反転による逆位相化を経た加算合
成によっては、検出振動成分が打ち消されてしまうの
で、このオフセット成分を打ち消すことはできない。ま
してや、二つの検出用圧電素子１０２，１０４から得ら
れる信号について位相反転を行なわないとすれば、検出
振動成分の検出ができないことから、位相反転によらず
に加算或いは減算合成してもオフセット成分を打ち消す
こともできない。また、漏れ振動に起因する振動子の楕
円運動の長軸と検出方向たるｚ軸とが斜めに交差するこ
とから、オフセット成分は大きな値として検出される。

【０００９】なお、漏れ振動の漏れの方向やｘ軸方向の
定常振動との位相の関係を示す角度θは、振動子の材
質，組成や環境温度により定まることも実験的に判明し
た。また、振動子自体が逆圧電・圧電効果を奏する水晶
等から形成した場合でも上記したオフセット成分による
感度低下が起きるが、水晶は、励起された振動の周波数
が温度によらずほぼ一定であるという優れた周波数−温
度特性を有するため、水晶を振動子に用いることが望ま
れている。

【００１０】本発明は、上記問題点を解決するためにな
され、オフセット成分の影響を受けることなくセンサの
感度向上を図ることをその目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】か
かる課題を解決するため、第１の発明の角速度センサ
は、水晶基板から形成され、振動子を基部から突出して
備える角速度センサであって、前記振動子表面に設けら
れ、前記振動子に第１の軸に沿った定常振動を励起する
励振電極と、前記振動子表面に設けられ、前記第１の軸
に直交する第２の軸に沿って前記振動子に励起された振
動を検出し、該検出した振動に応じた出力を生成する検
出電極とを備え、前記振動子は、前記定常振動の状態に
置かれた前記振動子に前記第１と第２の軸とに直交する
第３の軸回りの回転角速度が加わっていない非検出状態
において、前記第１の軸に沿った定常振動が前記第２の
軸の方向に実質的に漏れない程度に前記第１の軸方向の
共振周波数と前記第２の軸方向の共振周波数とが非同調
となるよう、前記第１の軸に沿った振動子幅と前記第２
の軸に沿った振動子幅とが相違して形成されており、前
記励振電極と検出電極の一方は、前記振動子の基部側に
設けられ、他方は前記振動子の先端側に設けられてい
る。

【００１２】上記構成を有する第１の発明の角速度セン
サは、上記課題を達成するための着想自体が従来と異な
る。つまり、従来は、振動子についての第１軸（以下、
便宜上ｘ軸という）の軸方向の振動の共振周波数（以
下、便宜上ｆｘと記す）と第２の軸（以下、便宜上ｚ軸
という）の軸方向の共振周波数（以下、便宜上ｆｚと記
す）の同調化を図り、これをもつてｚ軸方向の検出振動
を励起し易くし、その上で生じたオフセット成分の影響
を排除することがなされていた。しかし、この第１の発
明の角速度センサでは、そもそも振動子のｘ軸方向の振
動の共振周波数ｆｘとｚ軸方向の共振周波数ｆｚとの同
調化を図ることを止め、この両共振周波数を非同調とす
る。そして、このようにすることで、定常振動の状態に
置かれた振動子に第３の軸（以下、便宜上ｙ軸という）
の軸回りの回転角速度が加わっていない非検出状態にお
いて、振動子のｘ軸方向の定常振動をｚ軸方向に実質的
に漏れなくし、この非同調化で生じる弊害、即ちｚ軸方
向の検出振動が励起しにくくなることに、以下のように
対処する。

【００１３】この第１の発明の角速度センサでは、非検
出状態において振動子のｘ軸方向の定常振動がｚ軸方向
に実質的に漏れない程度にｘ軸方向の共振周波数ｆｘと
ｚ軸方向の共振周波数ｆｚとを非同調とするに当たり、
ｘ軸に沿った振動子幅（以下、便宜上ｗｘと記す）とｚ
軸に沿った振動子幅（以下、便宜上ｗｚと記す）とを相
違させた。この場合、振動子は一端が固定された梁と仮
定できるので、その１次の振動モードにおいて共振周波
数ｆｘと共振周波数ｆｚとを非同調とするには、共振周
波数ｆｘを数万から数十万Ｈｚとした場合に両共振周波
数の差がその０．１％程度であればよく、この差が０．
０５〜２．０％の範囲にあればよいと考えられる。

【００１４】また、ｘ軸方向の定常振動がｚ軸方向に実
質的に漏れない程度とは、振動子に加わったｙ軸回りの
回転角速度の検出値を何らかの制御パラメータとした場
合に、当該制御に支障がない程度であればよい。例え
ば、回転角速度の検出値に数％の誤差が許容されれば、
ｘ軸方向の定常振動の漏れに起因する検出値の変動がこ
の範囲で納まればよい。

【００１５】そして、水晶は、その結晶構成上、その結
晶軸たるｘ軸とｚ軸とではその結晶軸におけるクリスタ
ルインピーダンス（Ｃｉｘ，Ｃｉｚ）が相違するので
（Ｃｉｚ≒２〜３Ｃｉｘ）、このことを考慮して上記の
ように１次の振動モードにおいて共振周波数ｆｘと共振
周波数ｆｚとを非同調とするには、水晶の結晶軸（ｘ
軸，ｚ軸）を上記した振動におけるｘ軸，ｚ軸と一致さ
せた場合、ｘ軸に沿った振動子幅ｗｘとｚ軸に沿った振
動子幅ｗｚは、両者の比の値（振動子幅ｗｘ／振動子幅
ｗｚ）が４倍程度であればよい。従って、振動子の基部
側又は先端側のいずれかに設けられた励振電極と検出電
極を、いずれも電極面積が広い電極とすることができ
る。このため、以下の理由から、ｚ軸方向の検出振動が
励起しにくくても支障はない。

【００１６】ｚ軸方向の検出振動が励起しにくくても、
振動子にｙ軸回りの回転角速度が加わわれば、水晶から
なる振動子にはｚ軸方向にコリオリの力が作用し、振動
子は僅かな振幅ではあるがｚ軸方向に振動する。この
際、ｘ軸方向の定常振動のｚ軸方向への漏れは実質的に
ないことから、このｚ軸方向の振動は、オフセット成分
を実質的に含まず、回転角速度に基づく検出振動だけと
なる。そして、回転角速度に基づく検出振動たるｚ軸方
向の振動により、振動子は、水晶自体の有する圧電効果
を発揮して僅かな電荷の変化をもたらし、この電荷の変
化は広い電極面積の検出電極で感度よく捕らえられる。
このため、第１の発明の角速度センサによれば、実質的
に回転角速度に基づく検出振動のみを検出するので、オ
フセット成分の影響を受けることなくセンサ感度を向上
させることができる。

【００１７】また、以下に記すように、振動子における
励振電極と検出電極の位置によらず、センサ感度を向上
させることができる。

【００１８】一般に、水晶基板から振動子を形成するに
は、湿式エッチングの手法が用いられる。この場合、水
晶基板をいずれのカット面（ｘカット面，ｚカット面）
をエッチングするにしても、エッチングできる水晶基板
の厚みは０．３〜０．５ｍｍに制限される。よって、共
振周波数ｆｘと共振周波数ｆｚの同調化を行なっていた
従来の振動子では、振動のｘ軸に沿った振動子幅ｗｘと
ｚ軸に沿った振動子幅ｗｚは、上記の寸法（０．３〜
０．５ｍｍ）となる。このため、励振電極と検出電極と
は、この振動子幅において形成されるので、その電極面
積は狭い。従って、振動子をｘ軸方向に定常振動させる
ためには励振電極を応力歪みの大きな振動子の基部側に
設置せざるを得ず、検出電極は振動子の先端側とされて
いた。このように検出電極が先端側に位置すると、先端
部は応力歪みが基部側に比べて小さいことから、電極面
積が狭いことと相俟って、検出電極による検出感度が低
くなりがちであった。

【００１９】しかし、第１の発明の角速度センサでは、
電極面積を広くできることから、励振電極を振動子の先
端側に設けても、振動子をｘ軸方向に支障なく定常振動
させることができる。そして、検出電極を、応力歪みの
大きな振動子の基部側に広い電極面積をもって配置でき
るので、振動子にｙ軸回りの回転角速度が加わった時の
ｚ軸方向の振動振幅が僅かでも、高い感度で当該振動の
状態、即ち回転角速度に基づく検出振動を検出でき、セ
ンサ感度を向上させることができる。特に、ｘカット面
で水晶基板をエッチングして振動子を形成し、既述した
ように水晶の結晶軸（ｘ軸，ｚ軸）と振動におけるｘ
軸，ｚ軸とを一致させた場合には、結晶軸たるｘ軸クリ
スタルインピーダンスＣｉｘが小さいために、振動子を
容易にｘ軸方向に定常振動させることができる。このた
め、振動子にｙ軸回りの回転角速度が加わった時には、
振動子をｚ軸方向に若干でも大きな振幅で振動させるこ
とができるので、よりセンサ感度を向上させることがで
きる。

【００２０】また、従来と同様に励振電極を振動子の基
部側に設置し検出電極を先端側に設置した場合でも、広
い電極面積により振動子をｘ軸方向に大きな振幅で定常
振動させることができる。よって、振動子にｙ軸回りの
回転角速度が加わった時には、やはり振動子をｚ軸方向
に若干でも大きな振幅で振動させることができるので、
よりセンサ感度を向上させることができる。

【００２１】上記した構成のセンサ素子において、前記
振動子は、前記先端側が前記基部側に比して前記第２の
軸の方向に沿った振動が起き易く形成されている。

【００２２】この構成のセンサ素子では、振動子にｙ軸
回りの回転角速度が加わって振動子にコリオリの力が作
用すると、振動子は、その先端側がｚ軸（第２の軸）の
方向に基部側より大きな振幅で振動する。このため、振
動子の先端側に検出電極を設けた場合には、この振動
（検出振動）を検出することで、センサ感度を向上させ
ることができる。

【００２３】この場合、振動子の先端側をその基部側に
比してｚ軸の方向に沿った振動が起き易くするには、振
動子の先端側におけるｘ軸に沿った振動子幅ｗｘを基部
側の振動子幅ｗｘより狭くしたり、これに加えて、振動
子の先端側におけるｚ軸に沿った振動子幅ｗｚを基部側
の振動子幅ｗｚより狭くしたりすればよい。

【００２４】このように、振動子の基部側と先端側でそ
の振動子幅に差を持たせた場合には、共振周波数ｆｘと
共振周波数ｆｚとの差を際だって大きくすることもでき
る。例えば、共振周波数ｆｘを共振周波数ｆｚのほぼ半
分（ｆｘ≒ｆｚ／２）することもできる。この場合であ
っても、両共振周波数を非同調とできる。しかも、先端
側はｚ軸に沿った振動が起き易いことに加え、２次の振
動モードにおいてｘ軸方向とｚ軸方向の振動の共振を図
ることができる。よって、この場合には、振動子にｙ軸
回りの回転角速度が加わって振動子にコリオリの力が作
用すると、２次の振動モードの共振により、振動子の先
端側におけるｚ軸方向の振動（検出振動）の振幅は、基
部側におけるｘ軸方向の振動振幅に応じて大きくなる。
このため、振動子の先端側に検出電極を設けると、この
振動（検出振動）を大きな振幅で検出できるので、セン
サ感度を向上させることができる。

【００２５】

【発明の他の態様】本発明は、以下のような態様を採る
ことも可能である。第１の態様は、上記構成のいずれか
の角速度センサであって、前記振動子と対となりその形
状が同じとされた第２振動子を有し、該第２振動子を、
前記振動子に励起した前記第１の軸に沿った振動が伝播
して逆向きに前記第１の軸に沿って振動するよう前記基
部から突出して備え、前記第２振動子表面に設けられ、
前記第１の軸に沿って前記第２振動子に励起された振動
を検出し、該検出した振動に応じた出力を生成する第２
検出電極と、前記第２の軸に沿って前記第２振動子に励
起された振動を検出し、該検出した振動に応じた出力を
生成する第３検出電極と、前記第２検出電極の検出出力
に応じて前記励振電極への通電を制御する励振制御手段
と、前記第３検出電極の検出出力と前記検出電極の検出
出力とを合成し、前記第１と第２の軸と直交する第３の
軸回りの回転角速度に応じた出力を生成する角速度出力
生成手段とを有する。

【００２６】この態様の角速度センサでは、基部から突
出した第２振動子に、振動子（以下、説明の便宜上第１
振動子という）に励起したｘ軸（第１の軸）方向の振動
を伝播させ、この第２振動子をｘ軸方向に逆向きに振動
させる。換言すれば、この第１，第２振動子で音叉振動
子が形成される。そして、第１，第２振動子にｙ軸（第
３の軸）回りの回転角速度が加わると、第１，第２振動
子はコリオリの力を逆向きに受ける。この場合、第１，
第２振動子では、ｘ軸方向の振動の漏れがないことか
ら、僅かな振幅で互いに逆向きにｚ軸方向に振動する。
しかし、この僅かな振幅のｚ軸方向の振動（検出振動）
は、電極面積の広いそれぞれの検出電極で電荷の変化と
して感度よく捕らえられる。

【００２７】しかも、この態様の角速度センサでは、第
１振動子とは逆向きにｘ軸方向に振動する第２振動子の
当該振動を第２検出電極で検出し、励振制御手段により
その検出出力に応じて第１振動子の励振電極への通電を
制御する。このため、第１振動子はもとより、その振動
が伝播する第２振動子をも、安定してｘ軸方向に沿って
逆向きに振動させることができる。よって、第１，第２
振動子にｙ軸回りの回転角速度が加わった時には、これ
により両振動子に起きるｚ軸方向の振動（検出振動）
を、僅かではあっても安定した振幅の振動とする。そし
て、角速度出力生成手段では、第１振動子について検出
電極が検出した検出振動の検出出力と第２振動子につい
て第３検出電極が検出した検出振動の検出出力とを合成
するので、振動子に加わった横加速度等の外乱を相殺す
ることができる。このため、両振動子から角速度出力生
成手段で得た出力は回転角速度のみが反映し、オフセッ
ト成分はもとより横加速度等の外乱の影響を受けないの
で、よりセンサ感度を向上させることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づき説明する。図１は、実施例における角速度セ
ンサ１０の全体構成とこのセンサに用いられるセンサ素
子２０の外観とを示す概略構成図である。

【００２９】図示するように、角速度センサ１０は、セ
ンサ素子２０をその主要な構成部材として備え、このセ
ンサ素子２０は、第１振動子２１と第２振動子２２とを
共通する基部２３から平行に突出して備え、両振動子を
直交座標軸平面におけるｘｙ平面に存在させる。センサ
素子２０は、板厚０．２ｍｍの水晶基板に結晶のｘカッ
ト面をエッチング面とする湿式エッチングを施して形成
されたものである。このため、基部２３から平行に突出
した第１振動子２１と第２振動子２２とで水晶基板から
なる音叉振動子が形成され、一方の振動子に励起した振
動は、他方の振動子にその振動の向きを逆にして伝播さ
れる。この場合、第１振動子２１，第２振動子２２の幅
は、振動子のｘ軸方向の共振周波数ｆｘが１０万Ｈｚ程
度となるよう定められ、上記の板厚の約４倍に相当する
０．８ｍｍとされている。

【００３０】このセンサ素子２０では、両振動子をｘｙ
平面に存在させたので、上記した振動子の幅方向が振動
子の振動方向を表わすｘ軸と一致し、厚み方向がｚ軸と
一致する。このため、上記の振動子幅が振動のｘ軸に沿
った振動子幅ｗｘとなり、振動子の厚み（板厚）がｚ軸
に沿った振動子幅ｗｚとなるので、振動子幅ｗｘは振動
子幅ｗｚの約４倍の広さとなる。また、ｘカット面を利
用していることから、水晶の結晶軸（ｘ軸，ｚ軸）と振
動方向を表わすｘ軸，ｚ軸とは一致する。

【００３１】そして、上記したようにｘ軸方向の振動子
幅ｗｘとｚ軸方向の振動子幅ｗｚとが上記したように相
違し、結晶軸と振動の軸とが一致し、また振動子幅ｗｚ
が上記したような値であることから、第１振動子２１，
第２振動子２２のｚ軸方向の共振周波数ｆｚは、共振周
波数ｆｘとその約０．１％程度低い約９９９００Ｈｚで
ある。よって、第１振動子２１，第２振動子２２では、
共振周波数ｆｘと共振周波数ｆｚとに約０．１％の差が
あることから両振動数は非同調の関係にあり、これら振
動子にｘ軸方向に励起した振動は、ｚ軸方向に実質的に
漏れることはない。

【００３２】上記した共振周波数を有する第１振動子２
１は、基部２３側に形成された第１電極２４と振動子の
長手方向（ｙ軸方向）略中央に形成された第２電極２５
とを有する。第１電極２４は、図１の２−２線拡大断面
図である図２に模式的に示すように、振動子の表裏面
（ｘｙ平面と平行な面）にそれぞれ形成された平行電極
２４ａ，２４ａ’と平行電極２４ｂ，２４ｂ’とからな
り、それぞれの電極を振動子を挟んで対向させている。
この場合、この各平行電極は、振動子幅ｗｘが振動子幅
ｗｚの約４倍の広さであることから、振動子幅ｗｘと振
動子幅ｗｚとがほぼ等しくされた従来の正方断面振動子
における電極よりその電極面積が約４〜８倍程度広く形
成される。そして、平行電極２４ａと平行電極２４ａ’
とが、および平行電極２４ｂと平行電極２４ｂ’とがそ
れぞれ電極対をなし、第１振動子２１のｚ軸方向の振動
を検出するための検出電極対とされる。この検出電極対
をなすそれぞれの平行電極２４ａ，２４ａ’，２４ｂ，
２４ｂ’は、振動検出側のインピーダンス変換回路４１
に接続されている。つまり、応力歪みの大きな振動子基
部側の第１電極２４が検出電極となる。なお、図２に
は、第２電極２５に至る導電ラインは図示が省略されて
いる。

【００３３】第２電極２５は、図１の３−３線拡大断面
図である図３に模式的に示すように、振動子の表裏面に
対向して形成された平面電極２５ａ，２５ｂと振動子側
面から表裏面にかけて形成され互いに対向する側面電極
２５ａ’，２５ｂ’とからなる。この場合、この平面電
極２５ａ，２５ｂは、第１電極２４における電極と同
様、従来の正方断面振動子における電極よりその電極面
積が約４〜８倍程度広く形成される。そして、平面電極
２５ａと側面電極２５ａ’とが、および平面電極２５ｂ
と側面電極２５ｂ’とがそれぞれの電極対をなし、第１
振動子２１をｘ軸方向に励振させるための励振電極対と
される。この場合、平面電極２５ａと平面電極２５ｂと
は、振動子表面に形成された導電ラインにより導通され
てその極性は同一とされており、励振電極対をなす平面
電極２５ａ，２５ｂと側面電極２５ａ’，２５ｂ’と
は、励振側の発振回路３６に接続されている。つまり、
応力歪みの比較的小さい振動子先端側（振動子中央）の
第２電極２５が励振電極となる。

【００３４】第２振動子２２も、第１振動子２１と同一
の電極構成を有する第１電極２６と第２電極２７とを備
え、第１電極２６を検出用とし、第２電極２７を第１振
動子２１の第２電極２５による励振状態を制御するため
のフィードバック用電極とする。このため、第１電極２
６は、上記したように振動検出側のインピーダンス変換
回路４１と接続されており、第２電極２７は、励振側の
インピーダンス変換回路３１に接続されている。

【００３５】上記した電極構成により、第１振動子２
１，第２振動子２２は次のような振動挙動を起こす。第
１振動子２１の第２電極２５には発振回路３６から交流
電圧が印加され、その周波数は共振周波数ｆｘである。
このため、平面電極２５ａ，２５ｂは同じ極性で側面電
極２５ａ’，２５ｂ’はこれと逆の極性となるので、第
１振動子２１は、水晶自体の逆圧電効果によりｘ軸方向
に振動（励振）する。この際、平面電極２５ａ，２５ｂ
は既述したように従来より約４〜８倍程度の電極面積を
有するので、第２電極２５が応力歪みの比較的小さい振
動子中央に位置しても、第１振動子２１はｘ軸方向に支
障なく振動する。しかも、本実施例では、既述したよう
にクリスタルインピーダンスの小さな結晶軸（ｘ軸）を
振動方向の軸（ｘ軸）と一致させているので、第１振動
子２１はこのｘ軸方向に自励振し易くなり、このことと
相俟って第１振動子２１は容易にｘ軸方向に振動を起こ
す。

【００３６】この第１振動子２１に励起したｘ軸方向の
振動は、基部２３を経て第２振動子２２に伝播し、これ
ら振動子は音叉振動子を形成するので、第２振動子２２
は、第１振動子２１とは逆向きにｘ軸方向に振動する。
このため、この逆向きに励起された第２振動子２２のｘ
軸方向の振動は、水晶の応力歪みを生じさせ、水晶自体
の圧電効果により、第２電極２７からなるフィードバッ
ク用電極を経て電荷の変化に変換される。この電荷の変
化は、励振側のインピーダンス変換回路３１に入力さ
れ、第２振動子２２延いては第１振動子２１のｘ軸方向
の振動状態を表わす電気信号となる。

【００３７】一方、第１振動子２１の第１電極２４は、
この第１振動子２１に現われた振動のｚ軸方向の振動成
分を水晶自体の圧電効果により電荷の変化として捕ら
え、振動検出側のインピーダンス変換回路４１に出力す
る。そして、この電荷の変化は、第１振動子２１のｚ軸
方向の振動状態を表わす電気信号（交流電圧）となる。
この場合、第１電極２４における平行電極２４ａ，２４
ａ’，２４ｂ，２４ｂ’は既述したように従来より約４
〜８倍程度の電極面積を有するので、第１振動子２１の
ｚ軸方向の振動成分が僅かな振幅の振動成分であって
も、この第１電極２４により感度よく捕らえられる。第
２振動子２２についても同様である。

【００３８】このセンサ素子２０を用いた角速度センサ
１０は、第１振動子２１，第２振動子２２をｘ軸方向に
定常的な振動状態に置くための励振側回路３０と、角速
度検出用の信号を得るための検出側回路４０とを有す
る。

【００３９】励振側回路３０は、第２振動子２２のｘ軸
方向の振動状態を表わす第２電極２７（フィードバック
用電極）の出力に基づき第１振動子２１の励振状態を制
御するため、インピーダンス変換回路３１とバッファ回
路３２と直流カットコンデンサ３３と復調回路３４と増
幅回路３５とを備える。このため、第２電極２７（フィ
ードバック用電極）の出力は、インピーダンス変換を受
けた後にその直流成分が除去され、その後の復調・増幅
を経て発振回路３６に入力される。この際、発振回路３
６には、第１振動子２１のｘ軸方向の振動の共振周波数
ｆｘを中心とした所定幅の周波数の電気信号が入力され
る。そして、励振側回路３０の発振回路３６は、第２電
極２７（フィードバック用電極）から得た第２振動子２
２のｘ軸方向の振動状態を表わす電気信号に基づいて、
第１振動子２１の第２電極２５に共振周波数ｆｘの交流
電圧を印加する。よって、角速度センサ１０は、発振回
路３６による第２電極２５の交流電圧印加を経て第１振
動子２１を水晶の逆圧電効果によりｘ軸方向に振動さ
せ、この交流電圧の印加を第２電極２７（フィードバッ
ク用電極）が検出した第２振動子２２のｘ軸方向の振動
状態に基づいて制御することで、第１振動子２１をｘ軸
方向に共振周波数ｆｘで定常的に振動させる。

【００４０】検出側回路４０は、センサ素子２０に加わ
った角速度に応じたセンサ出力を第１振動子２１の第１
電極２４および第２振動子２２の第１電極２６からの出
力に基づいて求めるため、インピーダンス変換回路４１
と増幅回路４２と位相回路４３と同期検波回路４４と積
分回路４５と増幅回路４６とを備える。このため、第１
電極２４，第１電極２６から得られた出力は、インピー
ダンス変換を受けた後に増幅され、それぞれの位相が位
相回路４３で整えられ、同期検波回路４４では、交流電
圧である電気信号の負の部分を反転して正電圧とされ整
流される。そして、積分回路４５にて、正電圧化された
電気信号が整流電圧の電気信号とされ、この整流電圧の
電気信号の出力レベルが増幅回路４６で増幅されてセン
サ出力として出力される。この場合、同期検波回路４４
には、同期を採るべき参照信号として、発振回路３６の
出力が入力される。なお、位相回路４３では、位相反転
による逆位相を行なって、第１電極２４，第１電極２６
からの両電気信号が同位相に揃えられる。

【００４１】以下に第１振動子２１，第２振動子２２の
振動の様子と、両振動子にｚ軸回りの回転角速度が作用
したときのその回転角速度の検出の様子について、上記
各回路の動作と併せて説明する。

【００４２】励振側回路３０の発振回路３６から第１振
動子２１の第２電極２５に交流電圧を印加すると、平面
電極２５ａ，２５ｂには同じ極性で側面電極２５ａ’，
２５ｂ’にはこれと逆の極性の電荷がかかるので、第１
振動子２１は、水晶自体の逆圧電効果により電圧に応じ
てｘ軸方向に振動する。この際の振幅は、印加された電
圧で定まる。そして、このｘ軸方向の振動は第２振動子
２２に伝播し、第２振動子２２は既述したように逆向き
にｘ軸方向に振動する。この場合、平面電極２５ａ，２
５ｂの電極面積の拡張並びに結晶軸（ｘ軸）と振動方向
の軸（ｘ軸）との一致から、第１振動子２１はもとより
第２振動子２２は、ｘ軸方向に何の支障もなく上記振動
を起こす。しかも、このように両振動子がその振動の向
きを逆にｘ軸方向に振動している場合、振動子について
の共振周波数ｆｘと共振周波数ｆｚとが非同調の関係に
あることから、これら振動子にｘ軸方向に励起した振動
は、ｚ軸方向に実質的に漏れることはない。

【００４３】また、第２振動子２２のｘ軸方向の振動状
態は、水晶自体の圧電効果により、第２電極２７を介し
て当該振動状態が反映した電気信号として励振側回路３
０のインピーダンス変換回路３１に送り出され、発振回
路３６に入力される。そして、この発振回路３６による
第２電極２５への交流電圧の印加は、第２電極２７が検
出した第２振動子２２のｘ軸方向の振動状態に基づいて
一定レベルに制御されることになり、第１振動子２１
は、ｘ軸方向に定常的に共振周波数ｆｘで振動する。第
２振動子２２は、第１振動子２１の振動の伝播を引き続
き受けて、第１振動子２１とは逆向きにｘ軸方向に定常
的に振動する。

【００４４】そして、こうしてｘ軸方向に振動している
第１振動子２１，第２振動子２２に、ｙ軸の回りに回転
角速度ωが加わると、両振動子に式Ｆ＝２ｍＶ・ωで表
わされるコリオリの力Ｆが、ｘ軸と直交する方向に作用
する。この場合、第１振動子２１，第２振動子２２のｘ
軸方向の振動方向が逆であることから、コリオリの力Ｆ
は、第１振動子２１と第２振動子２２で逆向きに作用す
る。ここで、ｍは振動部分の質量、Ｖは振動部分の速度
である。振動部分の速度Ｖは、式Ｖ＝Ａω・cos ωｔで
表わされる。なお、回転角速度ωが一定のときには、振
動子のｘ軸方向の振動の振幅Ａに比例する。

【００４５】このようにしてコリオリの力Ｆが作用する
と、第１振動子２１，第２振動子２２は、振動変遷軸ｘ
０を長軸とする楕円運動とコリオリの力Ｆに起因する振
動とにより、全体として新たな楕円運動を起こす。そし
て、応力歪みが大きな振動子基部側の第１電極２４，２
６は、この新たな楕円運動についてのｚ軸方向の振動成
分を、水晶自体の圧電効果により電気信号として捕ら
え、これを検出側回路４０に出力する。この場合、第１
振動子２１，第２振動子２２のｘ軸方向の振動の漏れが
ないことと、第１電極２４，２６におけるそれぞれの平
行電極はその電極面積の拡張がなされていることから、
第１電極２４，２６では回転角速度にのみ基づくｚ軸方
向の振動成分（検出振動成分）のみを感度よく捕らえ
る。このため、本実施例の角速度センサ１０によれば、
ｘ軸振動の漏れに起因するオフセット成分の影響を受け
ることがなくなり、センサ感度を向上させることができ
る。

【００４６】なお、このセンサ出力は図示しない演算装
置に出力され、この演算装置にて、センサ出力と回転角
速度とを予め対応付けたマップが参照されて、回転角速
度が演算される。そして、このセンサ出力にはオフセッ
ト成分が含まれておらず検出振動成分のみが反映してい
るので、正確な回転角速度を求めることができる。

【００４７】また、本実施例の角速度センサ１０では、
第１振動子２１と第２振動子２２とで音叉振動子を形成
してこの両振動子をｘ軸方向に逆向きに振動させ、第２
振動子のｘ軸方向の振動を第２電極２７で検出し、その
検出出力に応じて第１振動子２１の第１電極２４への通
電を制御する。このため、第１振動子２１はもとより、
その振動が伝播する第２振動子２２をも、安定してｘ軸
方向に沿って逆向きに同一振幅で振動させることができ
る。よって、第１振動子２１，第２振動子２２にｙ軸回
りの回転角速度が加わった時には、これにより両振動子
に起きるｚ軸方向の振動（検出振動）を、僅かではあっ
ても安定した振幅の振動とすると共に、センサ素子２０
に加わった外乱、例えば横加速度に起因する外乱成分
を、第１電極２４，２６の検出出力に同位相で含ませ
る。このため、角速度センサ１０によれば、オフセット
成分と共にこの外乱成分をも回転角速度演算のためのセ
ンサ出力に含ませないので、センサの感度をより向上す
ることができる。

【００４８】次に、変形例について説明する。この変形
例のセンサ素子２０Ａは、図４に示すように、第１振動
子２１Ａ，第２振動子２２Ａを有し、各振動子では、基
部２３Ａの側で振動子幅ｗｘが広くされ、振動子のほぼ
中央より先端側で振動子幅ｗｘがその約半分の幅に狭く
されている。第１振動子２１Ａは、その基部側に励振電
極たる第２電極２５を有し、振動子幅ｗｘが狭くされた
先端側のほぼ中央に検出電極たる第１電極２４を有す
る。また、第２振動子２２Ａは、その基部側にフィード
バック用電極たる第２電極２７を有し、先端側には検出
電極たる第１電極２６を有する。そして、これら電極
は、上記したセンサ素子２０の場合と同様に、インピー
ダンス変換回路４１，発振回路３６と接続されている。

【００４９】この変形例では、各振動子の基部側と先端
側で上記のようにその振動子幅に差を持たせたること
で、共振周波数ｆｘと共振周波数ｆｚとの差を際だって
大きくすることもできる。例えば、共振周波数ｆｘを共
振周波数ｆｚのほぼ半分（ｆｘ≒ｆｚ／２）とし、両共
振周波数を非同調とした。しかも、図５に示すように、
各振動子の先端側はその振動子幅ｗｘが狭いことに起因
してｚ軸に沿った振動が起き易いことに加え、ｆｘ≒ｆ
ｚ／２であることから、２次の振動モードにおいてｘ軸
方向とｚ軸方向の振動の共振を図ることができる。よっ
て、この変形例の場合には、各振動子にｙ軸回りの回転
角速度が加わって振動子にコリオリの力が作用すると、
２次の振動モードの共振により、第１振動子２１Ａ，第
２振動子２２Ａの先端側におけるｚ軸方向の振動（検出
振動）の振幅は、基部側におけるｘ軸方向の振動振幅に
応じて大きくなる。このため、振動子先端側の検出電極
たる第１電極２４，２６では拡張された電極面積でこの
振動（検出振動）を大きな振幅で検出できるので、セン
サ感度を向上させることができる。

【００５０】また、この変形例では、検出電極たる第１
電極２４，２６がｚ軸に沿った振動が起き易い振動子先
端側に位置し、図５に示すように、この振動子先端側で
は基部側との境界で屈曲するようにしてｚ軸方向の振動
が起きる。このため、この屈曲による応力歪みが第１電
極２４，２６の検出出力に反映されるので、電極面積の
拡張と相俟ってセンサ感度を向上させることができる。

【００５１】上記の変形例におけるセンサ素子２０Ａ
を、更に変形することができる。つまり、図６に示すよ
うに、振動子幅ｗｘが狭くされた振動子の先端側のｚ軸
方向の振動子幅ｗｚを基部側の振動子幅ｗｚより狭くす
る。このように変形すれば、検出電極たる第１電極２
４，２６が設けられた各振動子の先端側をよりｚ軸に沿
って振動しやすくできるので、第１電極２４，２６では
この振動（検出振動）をより大きな振幅で検出できるこ
とになり、センサ感度をより向上させることができる。

【００５２】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種
々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、図
１に示したセンサ素子２０における第１振動子２１，第
２振動子２２の第１電極２４，２６と第２電極２５，２
７の電極構成はこのままであるが、第１電極２４を振動
子励振用の電極とし第１電極２６をフィードバック用電
極とし第２電極２５，２７を検出用電極としたセンサ素
子２０とすることもできる。この場合には、上記各電極
を構成する平行電極，平面電極および側面電極とインピ
ーダンス変換回路４１，発振回路３６との接続の仕方を
変えればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の角速度センサ１０の全体構成とこのセ
ンサに用いられるセンサ素子２０の外観とを示す概略構
成図。

【図２】図１の２−２線拡大断面図。

【図３】図１の３−３線拡大断面図。

【図４】変形例のセンサ素子２０Ａの概略斜視図。

【図５】変形例のセンサ素子２０Ａにおけるｚ軸方向の
振動の様子を説明する説明図。

【図６】更にこのセンサ素子２０Ａの変形例を説明する
説明図。

【図７】従来の角速度センサでの問題点を、振動子の運
動の挙動と共に説明するための説明図。

【符号の説明】

１０…角速度センサ ２０…センサ素子 ２０Ａ…センサ素子 ２１，２１Ａ…第１振動子 ２２，２２Ａ…第２振動子 ２３，２３Ａ…基部 ２４，２６…第１電極 ２５，２７…第２電極 ３０…励振側回路 ３６…発振回路 ４０…検出側回路 ４４…同期検波回路 ω…回転角速度

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶基板から形成され、振動子を基部か
   ら突出して備える角速度センサであって、 前記振動子表面に設けられ、前記振動子に第１の軸に沿
   った定常振動を励起する励振電極と、 前記振動子表面に設けられ、前記第１の軸に直交する第
   ２の軸に沿って前記振動子に励起された振動を検出し、
   該検出した振動に応じた出力を生成する検出電極とを備
   え、 前記振動子は、前記定常振動の状態に置かれた前記振動
   子に前記第１と第２の軸とに直交する第３の軸回りの回
   転角速度が加わっていない非検出状態において、前記第
   １の軸に沿った定常振動が前記第２の軸の方向に実質的
   に漏れない程度に前記第１の軸方向の共振周波数と前記
   第２の軸方向の共振周波数とが非同調となるよう、前記
   第１の軸に沿った振動子幅と前記第２の軸に沿った振動
   子幅とが相違して形成されており、 前記励振電極と検出電極の一方は、前記振動子の基部側
   に設けられ、他方は前記振動子の先端側に設けられてい
   る角速度センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の角速度センサであって、 前記振動子は、前記先端側が前記基部側に比して前記第
   ２の軸の方向に沿った振動が起き易く形成されている。